基坑开挖方案的数值优化选取

　　摘要：在基坑开挖中空间效应明显，运用数值软件FlAC3D对深基坑工程的土方开挖方案进行数值模拟，优化选取。基于实际基坑实例选择不同的土方开挖方案进行虚拟开挖，分析不同开挖方案对基坑的基坑侧壁位移，支护桩水平位移，基坑坑底隆起变形量的影响规律，从而表明基坑的土方开挖的先后顺序，每次开挖位置的不同，开挖方量不同均影响这基坑相关位移的变化。可见施工中对基坑土方开挖方案进行设计，从而选择更加安全、经济、合理的基坑开挖方案，能够有效的减小基坑位移和变形，节省基坑造价。
　　关键词：基坑；土方开挖；虚拟开挖；数值模拟；变形分析
　　引言
　　深基坑开挖主要为了地下工程施工[1]，为实现顺利开挖，必须采取相应的措施保证基坑本身及周边环境的稳定。目前，很多文献和资料都是关于基坑开挖数值模拟的，对基坑工程实例进行模拟分析与实际检测结果对比分析，较少有对同一基坑不同开挖方案的分析比较。本文对同一基坑的不同设计开挖方案进行数值模拟的优化选取，探索不同的基坑开挖方案对基坑变形的影响规律。通过数值方法分析不同施工方案设计对基坑变形的影响规律，从而选择最合适的施工方案。
　　1工程实例FLAC3D模拟
　　FLAC3D[2,3]内置丰富的本构模型以及结构单元，非常适合岩土体及支护结构的分析模拟，所以FLAC3D成为求解三维岩土工程问题最理想的工具之一[4]，在基坑开挖和支护中得到了充分应用。在深、大、周边环境复杂、对支护结构变形要求较高的基坑开挖中,进行预先模拟，能够给施工提供指导，并提前发现问题，排除安全隐患。
　　1.1基坑概况及土体参数
　　该工程为宁波市经济开发区一个建筑深基坑，地上14层，地下1层，该场地埋深50.50m范围内，基坑平面尺寸为117.10m×26.7m，开挖深度为9.2m。地基土按成因年代分为8层，按照力学性质可分为14个亚层，主要有粉质黏土，砂土，粉土组成，各层土的物理力学指标列于表1，根据表1建模计算。
　　表1各层土力学指标
　　Table1Geotechnicalpropertiesofsoillayers
　　土层 H/m Γ/KN•m-3 C/kPa Φ/° K/kPa G/kPa
　　粘土 2.10 19.00 22.00 21.00 11666.7 1971.8
　　粉土 2.00 19.30 9.00 25.50 12222.2 4074.1
　　粉质粘土 8.20 18.90 18.00 24.30 7916.7 2065.2
　　粉质粘土 1.70 20.00 15.30 28.10 8611.1 2246.4
　　粉质粘土 4.90 19.50 17.60 28.60 8750.0 2282.6
　　粉质粘土 3.70 19.20 21.00 26.10 9166.7 2391.3
　　粉土 1.00 19.60 8.50 32.00 16000.0 5333.3
　　粉质粘土 1.60 19.40 26.50 20.80 8055.6 2101.4
　　粉土，粉砂 3.70 20.90 10.00 35.60 10833.3 5000.0
　　粉土，粉砂 2.10 19.80 11.20 37.20 14916.7 6884.6
　　1.2模型的建立
　　图1基坑网格划分
　　Fig1Finitedifferencemeshofpitfoundation
　　根据土层特性选取计算模型大小为240m×52m×31m,模型共划分43680zones，45982grid-points，1952structural-element(Piles)，2196nodes。本构模型采用Mohr-Coulomb，土体开挖采用null模型，支护采用Pile结构单元，基坑网格划分如图1所示。
　　1.3开挖方案设计
　　根据当地相关施工经验和参考相关介绍长条型基坑施工设计文献资料，本文设计了三种开挖方案进行比较分析。如傅淼成,高建平以天山商业中心地下室基坑为例介绍了狭窄场地超长深基坑支护与土方开挖施工技术，该地下室长283.25m,土方开挖最深达12m,场地狭窄[5]。李友强，郑大榕等在某地铁深基坑中采用了条形分割法[6]施工新技术。本文涉及的基坑也为长条形基坑。
　　本文设计了三种基坑土方开挖方案进行虚拟开挖，如图2所示：方案一、分三层逐层开挖，每次开挖三米；方案二、分层分块施工，沿基坑长边的方向把基坑分为六块由两边向中间开挖，由两端向中间逐次对称开挖，对于每块也是分为三层逐层开挖，按①→②→③顺序开挖；方案三、分层分块间隔开挖，沿基坑长度方向把基坑分为五部分，间隔分块开挖，每块逐层开挖，按①→②顺序开挖。在基坑标准模型的基础上，按照分别应用FISH函数编写三种开挖方案程序，基于基坑模型进行虚拟开挖，并且记录关键点的位移，应力，桩体变形等反映基坑安全稳定性情况的量。
　　2基坑变形分析
　　在进行不同的方案的数值计算时，监测记录了相关点及结构单元的位移变形，计算结束后，三种开挖方案下对相关的支护桩位移，基底隆起变形，监测点沉降，不同方向位移量等数据进行整理和分析，比较三种施工方案的优缺。
　　2.1基坑侧壁土体位移分析
　　沿深度方向间隔1m选取18个位移监测点，来反映基坑侧壁的变形情况，结果如图3所示。基坑底面以上，坑边顶端位移较大，方案1位移45mm，方案50mm，方案3位移35mm，而底部的位移变化区别不大。由于开挖土体先后不同，扰动土体顺序不同，开挖土块大小不同等因素，引起的最终的侧壁变形量有区别较大。在接近坑底部分变形趋于一致；基坑底面以下，不同方案对监测点位移的影响区别不大，方案1的位移最小，方案二和方案三基本相同。
　　图4曲线反映了基坑短边侧壁位移变形情况，与长边的基坑侧壁位移比较，可见短边的位移变形较小，且变形情况较为简单。方案1整体位移较小，顶端位移很小不到5mm，底端位移约35mm；方案3位移最大，顶端达到28mm，底端达到65mm；方案2居中，顶端位移约25mm，底端位移约60mm。总的侧壁位移呈现上端小，底端大，由于桩的支护绕着基坑底面以上某点转动，上部位移较小，下部位移相对较大。可见分层开挖对基坑短边侧壁位移影响较小，而分层分块对其影响较小，两种分层分块方案的变形较为接近，可见分层分块对短边侧壁位移影响不明显。
　　图4基坑侧壁土体变形图5基底隆起变形曲线
　　Fig4soildeformationofthePitwallFig5Basementuplift
　　2.2基坑底部隆起变形分析
　　本深基坑呈长条型矩形，基底标高为-9.1m，选取基坑两短边中点连线上的14个点作为基底隆起的观测点，得到基底隆起曲线如图5所示。如图可见，由于开挖土方位置以及先后顺序的不同，扰动土体的先后顺序不同，导致基底不同位置隆起变形量不同，方案间差别较大。方案1，由于一下开挖较大面积土体，整个基坑面内土体释放压力回弹较大，整体隆起量较大，各测点变形量基本呈现中间较大两边较小的趋势；方案2，由于先开挖两侧后开挖中间，引起中间隆起较大，两边则隆起较小，且对称分布，差别较大；方案3，分段间隔开挖，其峰值也是对称分布，两个峰值，最大隆起量约30mm，最小为约23mm。可见由于开挖时采用了分层、分块、对称开挖的原则，所以基底变形也呈现对称性，且由于不同开挖方式对土的扰动情况不同，由于土体释放土压力的先后不同的空间和时间效应导致了基底隆起变形的不同表现形式。
　　2.3基坑支护桩变形
　　监测不同方案情况下桩体的位移情况，分析处理数据后，得到图6的变形曲线图，选择133，050，166号桩体的位移曲线对比如图，可见三种不同的基坑开挖方案对不同位置基坑支护桩的位移变形影响不同，位移的总体趋势基本相同，但是桩体位移的大小分布有所区别。可见不同的开挖方案，由于开挖土体位置和先后顺序的不一样，对基坑及周边位移和应力变化影响也不同。对于133号桩体，基坑地面上部方案三位移最大，方案二位移最小，基坑底面以下方案二最大，方案一最小；对于050号桩体，基坑地面上部方案二位移最大，方案一和二位移几乎相同，基坑底面以下方案一和三最大，方案二最小；对于166号桩体，基坑地面上部方案一位移最大，方案二位移最小，基坑底面以下方案二最大，方案一最小。桩体最大位移约为40mm，由桩体的位移变化情况能够很好的验证时空效应的理论，所以不同的基坑施工方案对基坑的变形影响较为明显，很有必要结合理论计算、数值模拟和实践经验，优化选择基坑开挖方案。
　　3小结
　　以规则的长条形矩形基坑实例为基础，以不同的土方开挖方案变化量，观察其基坑变形以及位移，基坑侧壁位移，基底隆起，桩体位移变形为因变量，进行不同的数值模拟开挖过程，进行虚拟设计开挖，揭示了不同开挖方案对基坑变形的影响规律，反映了基坑工程施工期间考虑基坑开挖方案设计的重要性。
　　4参考文献
　　[1]王卫东，刘国彬.基坑工程手册第二版[M].中国建筑工业出版社,2009.
　　[2]刘波，韩彦辉编著美.FLAC原理、实例与应用指南[M].人民交通出版社,2005:623.
　　[3]彭文斌编著.FLAC3D实用教程[M].机械工业出版社,2007:414.
　　[5]傅淼成，高建平.狭窄场地超长深基坑支护与土方开挖施工技术[J].建筑技术.2007,38(12):886-892.
　　[6]李友强，郑大榕.深基坑“条形分割法”施工新技术[J].施工技术（北京）.2007,36(11):44-47.

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